【文章內(nèi)容簡介】 字信號產(chǎn)生影響 [14]。 電壓或電流源是以一種通或 斷 的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。 當(dāng)導(dǎo)通時 ， 直流供電被加到負(fù)載上， 當(dāng)關(guān) 斷時 ， 供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進行編碼。多數(shù)負(fù)載無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載 都 需要的調(diào)制頻率高于 10Hz，通常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。 （五）電動機測速電路 圖 113 電動機測速電路 當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，帶動光電碼盤轉(zhuǎn)動 ，發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過光電碼盤時，由于碼盤是由多個格子組成的，所以碼盤轉(zhuǎn)動時，在光敏元件會產(chǎn)生多個矩形脈沖，如上圖所示，我們通過在一定的時間 T 內(nèi)測量脈沖的個數(shù) N，以及碼盤的精度 P（多少格的碼盤）就可以計算出電動機的轉(zhuǎn)速 Vr[15]。其轉(zhuǎn)速 : Vr=(N/P)/T 電動機測速電路采用光電編碼盤和紅外光電對管組成，紅外光電對管其原理如下圖所示： 圖 114 光電碼盤編碼原理 通過電動機測速電路，單片機可以實時的判斷電動機電路是否正常工作，若測得電動機轉(zhuǎn)速過低或者為零 ，則證明電動機堵轉(zhuǎn)或者異常，此時單片機可以控制電動機停轉(zhuǎn)來保護電動機并發(fā)出報警，在數(shù)碼管上顯示。 (六 ) 數(shù)碼管顯示電路 圖 115 數(shù)碼管顯示電路 . 實時顯示狀態(tài) 顯示電路為四位數(shù)碼管，用來顯示實時 電動機轉(zhuǎn)速 。通過數(shù)碼管上的顯示，我們可以清楚的 判斷電動機的轉(zhuǎn)速情況 。 . 數(shù)碼管顯示分析 在實際的單片機系統(tǒng)中，往往需要多位顯示。動態(tài)顯示應(yīng)用非常廣泛是一種最常見的多位顯示方法。 用數(shù)碼管顯示測得的數(shù)據(jù)，數(shù)碼管有 8 段而每段必需占用一個單片機的 IO口，所以一位數(shù)碼管必須占 8 個單片機 IO 口，本次 設(shè)計采用 4 位數(shù)碼管，則需要 12 個 I/O 口，而 89C52 單片機的 I/O 口只有 32 個。動態(tài)顯示能夠很好的解決數(shù)碼管占用單片機 IO 口過多的問題。 所有數(shù)碼管的段選全部連接在一起，如何能顯示不同的內(nèi)容呢？動態(tài)顯示的原理是多位數(shù)碼管，交替來進行顯示，利用人的視覺暫留效果使人看到好像有多個數(shù)碼管同時顯示。 在編程時，要用單片機控制段選和位選，所謂的位選是選中其中一個數(shù)碼管，然后利用單片機輸出段碼，需要顯示的數(shù)字就能顯示在這位數(shù)碼管上了，延時一段時間后，再選中另一個數(shù)碼管，再輸出對應(yīng)的段碼，高速交替。 在動態(tài)顯示程序 中，各個位的延時時間長短是非常重要的，如果延時時間長，則會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象；如果延時時間太短，則會出現(xiàn)顯示發(fā)暗且有重影。 靜態(tài)驅(qū)動就是給單獨每一個 LED 供電。這樣每個 LED 都有足夠的電流，亮度也相應(yīng)的比較高。 動態(tài)掃描驅(qū)動就是把本來供給一個 LED 燈的電流，同時分給了 N 個燈，所以它的亮度會有所降低。當(dāng)然在同時供給兩個 led 燈電流時不是平均的分配電流，而是 led 間掃描期間電流不斷地交替，掃描的頻率依據(jù)單片機的速度決定，也就是說各位的數(shù)碼管上的電流在掃描頻率內(nèi)是供個其中一個 led，在下一個掃描頻率內(nèi)是供給了另一個 led。 由上面的分析可以得到限流電阻 R 的值 1L E DL E DUURIN??? 若我們想讓這個 4位數(shù)碼管的每段工作時的電流為 電壓取 。則我們可以得出限流電阻的取值為 5 1 . 7 1 = 1 0 3 . 1 2 5 1 0 00 . 0 0 8 4R ?? ? ? ? 所以我們選取 100 歐的限流電阻。這樣每個 LED 工作時的電流約為 保證 LED 能亮的同 時不會被燒壞。 根據(jù)上面的計算可得每位數(shù)碼的電流為 64mA,8550 的集電極電流最大可達，完全滿足設(shè)計要求。由于單片機最大的拉電流一般約為 25mA,所以必須串一個 1K 的限流電阻，此處的三極管相當(dāng)于開關(guān)作用，控制各位數(shù)碼管的開關(guān)。 （七）按鍵電路 按鍵共 5 個，當(dāng)按鍵未按時，單片機接收到的是高電平，當(dāng)按鍵按下時連接單片機的引腳電平被拉低，單片機通過判斷引腳電平的變化來確定有無按鍵按下。由于是機械按鍵，所以會有機械抖動問題，導(dǎo)致在按一下時，會引起單片機多次的誤觸發(fā)，所以我們在程序中必須要加一定的延時來 去掉抖動。 圖 116 按鍵電路 按鍵 1 是速度加，按鍵 2 是速度減，按鍵 3 是正反轉(zhuǎn)切換，按鍵 4 是電機停止。 二、 軟件設(shè)計 （一）軟件總流程圖 開 始初 始 化按 鍵 按 下讀 取 按 鍵值電 機 啟 動輸 出 默 認(rèn)轉(zhuǎn) 速轉(zhuǎn) 速 減按 鍵 按 下轉(zhuǎn) 速 加按 鍵 按 下停 止按 鍵 按 下增 大 P W M占 空 比減 小 P W M占 空 比設(shè) 定 P W M占 空 比 為 0Y E SY E SY E SY E SY E SN ON ON ON ON O測 量 轉(zhuǎn) 速顯 示 當(dāng) 前轉(zhuǎn) 速 圖 21 軟件總流程圖 本次畢業(yè)設(shè)計主要在 Keil C51 下采用 C 語言來編寫程序。 Keil C51 是美國Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案， 通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起。運行 Keil 軟件需要 WIN9 NT、 WIN202 WINXP 等操作系統(tǒng)。如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選，即使不使用 C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。 Keil C51 可以進行 C 語言，匯編語言，的編譯。并可以進行軟件設(shè)計與仿真。編譯之后生成的 .HEX 文件可以下載到單片機里面。同時我們也可以配合 Protues仿真軟件進行仿真。這樣可以縮短我們程序的調(diào)試時間，及時發(fā)現(xiàn)我們程 序中的不足之處。 系統(tǒng)程序主要由 4 部分組成：鍵盤程序，數(shù)碼管顯示程序， PWM 產(chǎn)生程序，轉(zhuǎn)速測量程序。 在進行單片機控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計在控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位 [16]。 （二） PWM 調(diào)速程序設(shè)計 PWM 調(diào)速程序設(shè)計 鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過 與 其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 PWM 脈沖，另一口輸出高電平，驅(qū)動 H 型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機所處速度級以速度檔級數(shù)表 示。速度分10 檔，快慢與電動機所處速度級快慢一一對應(yīng)。 在程序中通過 單片機內(nèi)部的定時器 1 和定時器 0 產(chǎn)生 PWM，送出預(yù)設(shè)占空比的 PWM 波形。 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一系列周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列，由于每個脈沖的高電平時間和低電平時間之和必須等于周期數(shù)，所以輸出電平的維持時間必須由定時器來控制 [17]。設(shè) PWM 周期為 T，高電平時間為TH，低電平時間為 TL，電壓為 VCC，則輸出電壓的平均值為： UAV =Vcc*TH/（ TH+TL） =Vcc*TH/T=D*Vcc 當(dāng) VCC 固定時，其電壓值取決于 PWM 波形的占 空比 D，而 PWM 的占空比由單片機軟件內(nèi)部用于控制 PWM 輸出的寄存器值決定。 通過對單片機定時器初始值的不同設(shè)置，來實現(xiàn)占空比 PWM 輸出控制。用定時器 T0 完成 PWM 輸出，電機的驅(qū)動脈沖頻率為 20HZ，周期 50MS。定時器計數(shù)初值為 TH0=0x3C， TL0=0xB0。計數(shù)初值 X 計算方法： (65536－ X) =50000，轉(zhuǎn)換為十六進制： X=15536。 初始化后，除義初始數(shù)據(jù)外，將定時器 T0 設(shè)為工作方式 1， flag 作為電機轉(zhuǎn)向的標(biāo)志位， Speed0 和 Speed1 作為速度檔位的標(biāo)志，應(yīng)用于后來的加速減速控制。 基于 PID 算法的 PWM 電機調(diào)速程序設(shè)計改進 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。為了分析簡便，從常規(guī) PID 算 法入手， PI 控制的增量式差分方程為式 （ 1） ， PI 調(diào)節(jié)器的輸出可由下式 （ 2） 求得，其中 KP為比例系數(shù)： KI為積分系數(shù)； Tsam 為采樣周期； △ U(k)=U（ k） U(k1)=Kp[e(k)e(k1)]+K1Tsame(k) （ 1） U(k)=u(k1)+△ u(k) （ 2） PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能指標(biāo)。分析系統(tǒng)過渡過程，在轉(zhuǎn)速上升時，轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié) 器相當(dāng)于開環(huán)，此時不必進行積分計算，編程只須考慮比例放 大作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升接近穩(wěn)態(tài)值時，才進行 PI 控制，消除穩(wěn)態(tài)誤差，此時的 P 慮比前階段小 [18]。 常規(guī) PID 控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、易于 編 程實現(xiàn)等優(yōu)點，但該方法過分依賴于控制對象的模型參數(shù)，魯棒性較差，對于復(fù)雜系統(tǒng)的控制，直流調(diào)速系統(tǒng)，其負(fù)載、模型參數(shù)的 規(guī) 范同變化以及非線性因素的影響，使得常規(guī) PID 控制難以達到 滿意效果。在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，僅僅靠調(diào)整 P1 參數(shù)難以同時滿足各項靜、動態(tài)性能指標(biāo)。微機數(shù)字控制系統(tǒng)具有根強的邏輯判斷 和 數(shù)值運算能力，我們應(yīng)充分應(yīng)用這些能力，再加上對直流電機和控制規(guī)律的知識，以智能的方式衍生山多種改進算法，提高系統(tǒng)的控制性能。 （三）顯示程序設(shè)計 本次采用的是 4 位共陽數(shù)碼管動態(tài)顯示，動態(tài)顯示是多個數(shù)碼管，交替顯示，利用人的視覺暫留作用使人看到多個數(shù)碼管同時顯示。 Y N 圖 22 數(shù)碼管顯示流程圖 （四）鍵盤程序設(shè)計 鍵盤程序主要是實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速加，轉(zhuǎn)速減，啟動與停止，正反轉(zhuǎn)這些功能。當(dāng)按鍵未按下時，讀取的是高電平，如果按下，則電平被拉低，當(dāng)單片機判斷對應(yīng)的引腳為低電平時則表示有按鍵按下。 在按鍵的過程中